Текст книги "Физика в быту"

Глава 2
Что надо знать об источниках света

В продаже мы встречаем разные типы бытовых ламп: лампы накаливания, галогенные, люминесцентные, светодиодные (или led-лампы). Помимо понятных всем мощности, напряжения, силы тока, срока службы ламп, на упаковках указан ряд характеристик. Это световой поток, светоотдача, цветовая температура, индекс цветопередачи, коэффициент пульсаций и проч. Что означают все эти характеристики и на какие из них стоит обратить внимание про покупке ламп? Давайте разбираться.

Любой искусственный источник света (о свечах мы тут не говорим) потребляет из сети электроэнергию, за которую мы (или государство) платим. Нам понятно, что за каждый час работы лампы мощностью 75 Вт придется платить в 5 раз больше, чем за час работы лампы мощностью 15 Вт. Но что именно мы получаем за свои деньги? Отнюдь не только свет. Вся затраченная электроэнергия никогда не преобразуется полностью в световую, значительная её часть выделяется в виде тепла.

Световой поток очень важная характеристика лампы. Он определяет ту часть мощности излучения, которая воспринимается глазом как видимый свет. Остальная часть излучения будет в инфракрасном (а иногда и в ультрафиолетовом) диапазоне. Световой поток – это именно то, что мы хотим получить от лампы. Чтобы рассчитать его, надо знать полный спектральный состав излучения, а также чувствительность глаза к свету разных длин волн (ту самую функцию видности, которая графически изображена на рис. 12, кривая 1). Вспомним, что при равных интенсивностях жёлто-зелёный свет воспринимается более ярким, чем красный и сине-фиолетовый. Световой поток учитывает эту особенность глаз. Для измерения светового потока ввели специальную единицу – люмен (лм).

Недостаточная освещенность в помещении, а также её переизбыток, могут вызывать повышенную утомляемость и даже головные боли. Чтобы прикинуть, сколько люменов вам потребуется для нормального освещения конкретного помещения, надо его площадь в квадратных метрах умножить на санитарно-гигиеническую норму для данного типа помещений, выраженную в лм/м² (это при условии, что светильники подвешены не слишком высоко, не выше 3 м; если же выше, то увеличьте полученное число в 1,5 раза). Санитарно-гигиеническая норма для освещенности жилых комнат составляет 150 лм/м², для рабочего кабинета или библиотеки 300 лм/м². Например, если жилая комната имеет площадь 20 м², для её освещения вам требуется 150 лм/м² × 20 м² = 3000 лм. Допустим, на упаковке лампы указан световой поток 940 лм (примерно такой световой поток даёт лампа накаливания мощностью 75 Вт), тогда потребуется минимум 3 таких лампы, а лучше 4. Если же лампа даёт световой поток 1500 лм (это может быть светодиодная лампа мощностью 20–22 Вт), то достаточно двух ламп. Итак, обеспечение достаточной освещённости – это условие нашего зрительного комфорта. Ради этого мы обращаем внимание на строку «световой поток» на упаковке лампы.

Другой вопрос – сколько нам придётся платить за обеспечение зрительного комфорта. Разные типы ламп имеют разную энергетическую эффективность – отношение светового потока к потребляемой мощности. Это отношение называют светоотдачей. Просто разделите выдаваемый лампой световой поток на потребляемую мощность, и вы узнаете светоотдачу лампы (она измеряется в лм/Вт). Так, в разобранных примерах светоотдача лампы накаливания составляет 940 лм: 75 Вт = 12,5 лм/Вт, а светоотдача светодиодной лампы 1500 лм: 20 Вт = 75 лм/Вт. Чем больше светоотдача, тем выгоднее лампа. Учитывать светоотдачу разных типов ламп важно в целях экономии денег и электроэнергии. Заменив три 75-ваттных лампы накаливания из нашего примера на две 20-ваттные led-лампы, мы будем тратить вместо 75 × 3=225 Вт всего 20 × 2 = 40 Вт – экономия электроэнергии более чем в 5 раз.

Самую высокую светоотдачу имеют светодиодные лампы: от 50 до 90 лм/Вт, самую низкую – обычные лампы накаливания (10–15 лм/Вт).

Обе эти характеристики тоже касаются зрительного комфорта: мы хотим видеть естественные цвета предметов. Насколько хорошо искусственный источник света обеспечивает такую возможность, определяется спектром его излучения.

Цвет предметов, как мы помним, меняется в зависимости от освещения. Для источников света ввели специальный параметр – индекс цветопередачи (обозначения: Ra или CRI, от английского Color Rendering Index). Он показывает, насколько натурально выглядят цвета предметов в свете данного источника, и может меняться в диапазоне от 0 до 100. Индексом цветопередачи 100 «наделили» солнечный дневной свет. Если Ra (он же CRI) искусственного источника света больше 90, цветопередача считается очень хорошей, от 60 до 80 – просто хорошей, от 40 до 60 – посредственной, менее 40 – очень плохой, представляющей дискомфорт для глаз. Покупая лампу, обратите внимание на эту характеристику: индекс цветопередачи для жилых помещений должен быть не менее 80.

Естественный свет различается в разное время суток и при различной погоде. Мы говорим: тёплый солнечный свет, холодный свет луны или пасмурного неба. Цветовая температура (Т_ц) связана с цветовой тональностью освещения. Её принято измерять в градусах Кельвина (К). Чем выше цветовая температура, тем «холоднее» свет: в нём больше представлена синяя составляющая спектра и меньше – красная. Мы как бы подбираем такую температуру теплового излучения (света свечи, солнца, раскалённого тела), при которой оно имело бы похожий окрас (в нашем восприятии). Так, при цветовой температуре 2000 К свет по окрасу похож на пламя свечи, при 3500 К – на свет утреннего солнца, при 5000 К – на полуденный солнечный свет, при 6000–7000К – на свет облачного неба, при 9000–10000 К – на яркий свет синего неба.

Температура в градусах Кельвина на 273 градуса выше температуры, измеренной по более привычной нам шкале Цельсия.

Все источники света, в соответствии с их цветовыми температурами и окрасом света, разделены на три группы:

Т_ц ниже 3500 К – тёплый белый свет;

Т_ц от 3500 до 5300 К – нейтральный белый, или дневной, свет;

Т_ц выше 5300 К – холодный белый свет.

Лампы накаливания имеют цветовую температуру от 2200 до 2800 К (чем больше мощность лампы, тем выше Т_ц, тем белее её свет), а разные типы светодиодных ламп – от 2700 до 8000 К.

Цветовая температура влияет на величину комфортной освещённости. Однако в санитарно-гигиенических нормах освещённости это влияние не учитывается! Но имейте в виду: при высокой цветовой температуре, когда в спектре лампы мало красного света, для создания комфортной для глаз световой среды требуется существенно бóльший уровень освещённости, чем прописано в санитарно-гигиенических нормах. Например, при Т_ц = 6000 К нормальная для жилой комнаты освещённость 150 лм/м² будет ощущаться как «мало света», и для комфортного ощущения вам потребуется обеспечить освещённость минимум вдвое больше. Но, увеличивая число таких «холодных» ламп, вы одновременно увеличиваете интенсивность преобладающего в их спектре коротковолнового синего света, который при длительном воздействии вреден для сетчатки. (Об опасностях синего света ещё будет идти речь в дальнейшем.)

Не пытайтесь создать яркое освещение с помощью ламп холодного белого света. Хотя избыток синего не воспринимается как зрительный дискомфорт, он может представлять угрозу для глаз!

У источников с низкой цветовой температурой (менее 3000 К) есть другой недостаток: вы не сможете с их помощью обеспечить достаточно большую освещённость, если таковая требуется для тонкой работы. Дело в том, что при увеличении числа таких источников вы одновременно увеличиваете интенсивность преобладающего в их спектре красного света, который в большом количестве вызывает зрительный дискомфорт: свет кажется слишком ярким, хотя и не достигает нормального уровня освещённости. Это не опасно для глаз, просто неприятно. Так, освещённость более 250 лм/м², созданная обычными лампами накаливания, воспринимается уже как избыточная. Чтобы увеличить её без появления дискомфорта, надо добавить лампы с более высокой цветовой температурой.

Этот очень важный параметр излучения изготовители ламп часто «забывают» указывать.

Свет большинства ламп, в отличие от естественного света, пульсирует, мерцает: их световой поток то усиливается, то ослабевает. У ламп накаливания пульсации связаны с переменным сетевым напряжением и происходят с удвоенной технической частотой 100 Гц. Люминесцентные и светодиодные лампы требуют для своей работы применения специальных устройств управления, часто работающих в импульсном режиме, поэтому свет этих ламп тоже может пульсировать.

Мы не воспринимаем эти пульсации визуально, но наш мозг их регистрирует. Исследования показали, что на электроэнцефалограмме мозга появляются навязанные пики активности с частотой пульсаций света. Эти навязанные ритмы подавляют естественные биоритмы нервной системы. Воздействие оказывают пульсации света, частота которых не превышает 300 Гц. Они приводят к изменению гормонального фона, который в свою очередь влияет на наши эмоции и работоспособность. Чем сильнее пульсации, тем быстрее устают глаза, тем труднее сосредотачиваться на работе, может даже заболеть голова. Самое печальное, что эти негативные воздействия мы не ощущаем напрямую и не осознаём причину, их вызвавшую.

К счастью, не все лампы одинаково плохи. Мы подробнее обсудим пульсации разного типа ламп в следующей главе.

Величина пульсаций характеризуется коэффициентом пульсаций К_П и вычисляется по относительной глубине пульсаций светового потока.

Коэффициент пульсаций равен отношению полуразности максимального и минимального световых потоков к его среднему значению и выражается в процентах. Формула для расчёта коэффициента пульсаций:

где буквой Ф обозначен световой поток лампы.

Рис. 14. Пример зависимости светового потока Ф от времени

Для наглядности посмотрим на график (рис. 14). КП для этого примера составляет около 70 %.

Работа мозга нарушается при коэффициенте пульсаций выше 5–8 %, если частота пульсаций менее 300 Гц. Чем больше коэффициент пульсаций, тем хуже для мозга. Но превышение уровня пульсаций 20 % уже не имеет значения: пульсации глубиной 20 % и 100 % создают одинаковую угрозу здоровью.

Пульсации некоторых люминесцентных и светодиодных ламп могут быть более 30 %. Длительное их воздействие опасно для здоровья!

На территории РФ действуют санитарные нормы, ограничивающие допустимые пульсации источников света при частоте менее 300 Гц. Согласно этим нормам, в игровых комнатах детских садов и в учебных классах коэффициент пульсаций света должен быть менее 10 %. Этот же норматив действует для торговых залов супермаркетов, для парикмахерских и некоторых производственных и медицинских помещений. В помещениях с непродолжительным пребыванием людей норматив допускает пульсации до 20 %. Самые же строгие требования предъявляются к освещению мест, оборудованных компьютерной техникой. Здесь К_П не должен быть больше 5 %. Это связано с тем, что помимо ламп пульсируют ещё и мониторы компьютеров, что создаёт дополнительную нагрузку на зрение и мозг.

Учтите, что при использовании диммеров (светорегуляторов) пульсации всех типов ламп могут существенно возрасти! Лучше для регулировки освещённости включать разное количество ламп.

Для измерения коэффициента пульсаций используют специальные приборы – пульсометры (или комбинированный люксметр + пульсометр).

Мы перечислили самые важные параметры ламп, на которые следует обращать внимание при выборе источников света. Ну а теперь пришла пора обсудить подробнее разные типы ламп: их принцип работы и связанные с этим достоинства и недостатки. Мы не будем рассматривать лампы для уличного освещения и других специальных целей – только применяемые в быту лампы накаливания, галогенные, люминесцентные и светодиодные лампы. И начнём с заслуженных ветеранов труда – ламп накаливания.

Глава 3
Лампы накаливания

Эти лампы начали постепенно входить в наш быт с конца XIX – начала XX века.

Это чисто тепловой источник света, и в этом отношении лампа накаливания – близкий родственник свечи и Солнца. Чем ближе температура теплового источника к температуре поверхности Солнца, тем больше похожи спектры их излучений. Нить накала лампы (вольфрамовый волосок, закрученный в виде спирали) при пропускании через неё тока раскаляется до температуры 2600–3000 К. Спектр её излучения непрерывный, как и солнечный, но из-за более низкой температуры максимум излучения приходится не на видимую, а на инфракрасную часть спектра. И хотя практически вся потребляемая лампой электроэнергия превращается в излучение, в видимый диапазон попадает не более 5 % энергии. Это и есть КПД (коэффициент полезного действия) лампы. То есть на каждый заплаченный за электроэнергию рубль мы получаем света на 5 копеек, остальное идёт на нагревание помещения инфракрасным излучением (что в холодное время года, может, и неплохо).

Понятия КПД лампы и светоотдачи родственны. При расчёте КПД мы берём отношение полезной мощности, выделяющейся в виде света, к затраченной и получаем безразмерную величину, обычно выражаемую в процентах. При расчёте светоотдачи мы берём отношение светового потока в люменах к затраченной мощности в ваттах.

Чем больше мощность лампы, тем выше температура нити накала, из-за чего значительно возрастает доля видимого излучения в спектре, и растёт светоотдача. При температуре 3400 К уже 15 % электроэнергии превращается в свет. Но при такой высокой температуре вольфрамовая нить быстро испаряется и срок службы лампы уменьшается до нескольких часов, поэтому такие лампы в быту не используют. Сейчас в продаже имеются лампы мощностью 75, 60 и 40 Вт. Жаль, но 100-ваттные и 150-ваттные лампы сняли с производства, хотя они более энергоэффективны, чем маломощные лампы, хотя и менее долговечны.

С ростом мощности лампы её свет становится не только ярче, но и белее, потому что возрастает цветовая температура, что тоже существенно для нас. Так, цветовая температура 40-ваттной лампы 2200 К, 60-ваттной – 2680, а 100-ваттной – 2800 К.

Рис. 15. Сглаженный график спектра солнечного света на уровне земли и спектр лампы накаливания

И всё же из-за того, что температура нити накала гораздо ниже температуры поверхности Солнца (около 6000 К), свет ламп накаливания содержит гораздо больше красно-жёлтой составляющей, чем голубой и синей, в то время как спектр дневного солнечного света, прошедшего сквозь атмосферу, в видимой области весьма ровный: в нём более-менее равномерно представлены все цвета радуги с нерезким максимумом в жёлто-зелёной области (в чистом солнечном свете, в космосе, максимум выражен более резко). Схематически спектры солнечного света и лампы накаливания изображены на рисунке 15. Нехватка голубой составляющей света будет существенна, если пытаться заменить дневное освещение обычными лампами накаливания (например, в условиях полярной зимы) – человек начнёт испытывать «световое голодание» и недостаток гормона серотонина.

Световой поток ламп накаливания всегда пульсирует, они ведь питаются переменным напряжением сети. Нить накала нагревается то сильнее, то слабее, но сильно изменить свою температуру она не успевает благодаря быстрому изменению питающего напряжения и тепловой инерционности. Для самых распространённых ламп мощностью 60–100 Вт, подключенных к сети напряжением 220 В, коэффициент пульсаций находится в диапазоне 10–15 %, причём чем больше мощность лампы, тем меньше К_П. Это понятно: ведь в более мощных лампах нить накала толще, то есть массивнее, а значит, лучше сохраняет свою температуру. У 40-ваттных ламп накаливания пульсации достигают уже 20 %. Сильно смягчает обстоятельство тот факт, что форма пульсаций света у ламп накаливания гладкая, близкая к синусоидальной, без резких скачков, в отличие от пульсаций люминесцентных ламп и дешевых светодиодов. Поэтому влияние пульсаций лампы накаливания на мозг при одной и той же величине К_П существенно меньше, чем у других типов ламп. По этой причине и нормы по ограничению пульсаций во времена царствования ламп накаливания не вводились.

Мы видим, что во многих отношениях лампы накаливания большой мощности, накаляемые до более высоких температур, лучше и выгоднее, чем лампы малой мощности. Свет от одной 100-ваттной лампы будет лучшего качества, чем от двух 60-ваттных, и тем более лучше, чем от трёх 40-ваттных, и по цветовой температуре, и по глубине пульсаций, и по светоотдаче (энергоэффективности). Поэтому возникает недоумение: почему с 1 января 2011 года в нашей стране работает запрет на продажу именно самых мощных ламп накаливания (мощностью 100 Вт и больше)? Сегодня в продаже остались только лампы мощностью не более 75 Вт, но и их Министерство энергетики предполагает вскоре вывести из оборота.

Главное их преимущество по сравнению со всеми другими источниками света – непрерывный, очень ровный спектр, подобный солнечному, комфортный для глаз. Из-за преобладания красного он напоминает свет вечернего Солнца и особенно хорош перед сном, способствуя выработке гормона сна – мелатонина. Переизбыток красного в спектре благодаря особенностям «кривой видности» (см. рис. 12) существенно сглаживается из-за снижения чувствительности глаза к этим длинам волн, так что мы воспринимаем свет лампы как жёлто-белый. Психологическая адаптация к цвету тоже вносит свой вклад, и белая бумага в свете ламп накаливания не кажется нам желтоватой.

Ультрафиолетового излучения они не создают совсем, что выгодно отличает их от других типов ламп. Другими словами, лампы накаливания абсолютно безвредны для сетчатки глаза. Это особенно существенно для освещения детской комнаты.

Индекс цветопередачи идеальный, то есть почти 100 (98,7–99,1).

Что ещё важно – в их составе нет токсичных компонент, так что специальной утилизации отработавших ламп не требуется.

Также нет нужды в специальных пускорегулирующих устройствах – просто подключаем лампу к электрической сети. Это достоинство мы осознали «задним числом», когда стали выпускать люминесцентные, а потом и светодиодные лампы, для запуска которых нужны специальные пускорегулирующие устройства.

Мгновенное зажигание тоже стало восприниматься как отличительное достоинство ламп накаливания только после появления люминесцентных ламп. Добавим сюда же независимость от условий окружающей среды: температуры, влажности, радиации и прочего. Лампы накаливания исправно служат в любых помещениях, в любую погоду.

Ну и напоследок – низкая цена, радующая потребителя.

Будет очень жаль, если оставшиеся в России виды ламп накаливания тоже снимут с производства, как это уже произошло в Европе и США, лишив нас свободы выбора в пределах своей квартиры. Так хочется замолвить слово «о бедном гусаре» – лампе накаливания!

Главный недостаток, из-за которого лампы накаливания попали под опалу, – их низкая энергоэффективность (КПД, светоотдача). Во всём мире на освещение, по некоторым оценкам, тратится около пятой части всей вырабатываемой электроэнергии. Безусловно, в масштабах всей планеты и всей страны замена значительной доли ламп накаливания энергосберегающими типами необходима и даёт большую экономию электроэнергии.

Что также существенно – лампы накаливания считаются более пожароопасными, чем энергосберегающие лампы. Во-первых, стеклянная колба довольно сильно нагревается (у 75-ваттной лампы до 250 °C), и надо следить, чтобы она не прикасалась к воспламеняемым материалам (ткани, бумаге…). Во-вторых, при плохом контакте цоколя с пружиной патрона возникает нагрев патрона. (Но, заметим в скобках, чаще пожары случаются всё же не от ламп, а от неисправностей электропроводки.)

К недостаткам относят и относительно небольшой срок службы лампы. При нормальном напряжении (220 В), будучи без дефектов, она должна служить около тысячи часов, при напряжении 127 В – до 2500 часов. Кстати, продлить срок службы за счёт частого выключения и включения не получится, ведь именно при включении эти лампы чаще всего и перегорают, потому что в ещё не разогретой нити накаливания ток превышает рабочий в 10–15 раз.

Среди ламп накаливания есть долгожитель-рекордсмен: «столетняя лампа», которая горит с 1901 года в одном из пожарных отделений американского города Ливермор. Вероятно, её долгожительство объясняется тем, что лампа работает на малой мощности, в глубоком недонакале.